TIG-MIG复合焊研究现状与展望吉林化工学院(132000) 孙茂龄 机械科学研究院 哈尔滨焊接研究所(150028) 宋昌洪 吉荣亮 张 静 摘要：TIG-MIG复合焊综合了纯氩气保护气氛下熔化极惰性气体焊的高效特性以及钨极氩弧焊的高质量特性的一种焊接方法。详细介绍了前导电弧、TIG-MIG平衡电流、TIG-MIG电极之间距离以及TIG-MIG焊枪之间角度对TIG-MIG焊接性能的影响以及在TIG-MIG焊接实例研究中取得的阶段性成果，并探讨了目前TIG-MIG复合焊研究存在的问题以及未来可行的研究方向。 关键词：TIG-MIG复合焊 前导电弧 TIG-MIG电流平衡 TIG-MIG焊枪角度 0 序 言钨极氩弧焊(TIG焊)与熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)是现代产业中被利用最广泛的两种气体保护焊接方法。钨极氩弧焊在纯氩气保护气氛中钨极电极不发生熔化，焊接过程无飞溅产生，焊缝质量较高，但是焊接速度受到限制，焊接效率不高；熔化极惰性气体保护焊在纯氩气保护气氛下通过电阻热与电弧热量熔化电极，效率高于钨极氩弧焊接方法，但是焊接过程阴极斑点不稳定，容易产生飞溅,为解决这一问题，通常在纯氩气保护气氛中加入氧化性气体(CO2，O2)，虽然使焊接过程中电弧得到稳定，但是由于焊缝中氧元素的增加，降低了焊缝韧性性能[1]。 综合熔化极气体保护焊接与钨极氩弧焊方法的优点，钨极氩弧焊-熔化极惰性气体保护焊(TIG-MIG)复合焊接方法被提出。采用TIG-MIG复合焊接方法，即使在纯氩气保护气氛下，熔化极惰性气体保护焊接过程中的电弧也能得到稳定，焊后不仅可以获得与钨极氩弧焊相同高质量的焊接接头，而且还能得到与熔化极惰性气体保护焊一样的高效率特性，非常符合现代工业对焊接高效、高质量的要求[2-4]。 对于多电级复合焊接方法，电极之间作用对焊接性能影响比较复杂[5-7]。TIG电弧与MIG电弧之间距离小，单电弧产生的磁场容易使双电弧之间产生干扰，影响焊接过程的稳定以及焊后焊接接头的质量。 目前，许多国内外学者对TIG-MIG复合焊接方法进行研究，主要集中在前导电弧、TIG-MIG平衡电流、TIG-MIG电极之间距离及TIG-MIG焊枪之间角度对TIG-MIG焊接性能的影响，文中对这几个方面以及TIG-MIG焊接实例的现状进行了研究。 1 前导TIG电弧与TIG-MIG平衡电流Shuhei Kanemaru等人[8-9]采用图1焊接装置，通过试验与数值模拟研究TIG-MIG复合焊接过程发现，TIG-MIG复合焊接过程中TIG电极与MIG电极之间存在电流路径，并认为电流路径能够促进MIG电弧的稳定。图1为TIG-MIG复合焊接方法示意图[8]，从图1中可以看出钨极氩弧焊采用直流反接(DCEN),可以有效防止焊接过程中钨极的熔化；熔化极惰性气体保护焊采用直流正接(DCEP)，促进阳极焊丝的熔融。焊接开始时，TIG电弧首先形成并作为前导电弧，在焊件表面形成熔池之后，MIG电弧被激发并作为跟随电弧。  图1 TIG-MIG复合焊装置 杨涛等人[10]通过高速摄像观察TIG-MIG复合焊接过程电弧形态以及电弧对熔滴过渡影响发现前导TIG电弧对工件与熔滴具有预热作用，能起到稳定电弧、降低飞溅作用。 金丸周平等人[11]固定MIG电流在270 A，在100～500 A范围内变化TIG焊接电流，发现当TIG电流<><> 三島久等人[12]认为， 当TIG电流 田代真一等人[13]通过数值模拟解析TIG-MIG复合焊接过程温度分布以及金属蒸气浓度分布发现随着电流TIG电流的增大，TIG-MIG电极之间的流通电流减少，认为当TIG电流 综上所述，前导TIG电弧利于改善TIG-MIG复合焊接过程中电弧的稳定是因为TIG电极-MIG电极之间的电流路径的存在，电流路径的流通电流大小受TIG-MIG平衡电流的影响；当TIG电流≥MIG电流时能够获得稳定的复合电弧，并且随着TIG电流的增加，熔深也相应得到提高。 金丸周平等人[11]采用TIG电弧作为前导电弧，在0～16 mm范围内改变TIG电极与MIG电极之间距离，认为电极之间距离对焊道宽度作用与MIG电极前倾角有关，TIG电极与MIG电极之间的距离对熔深没有影响；TIG/MIG焊枪角度选取 ①-15°/+15°；② -30°/+30°；③-45°/+45°；④-60°/+60°四组参数，发现随着TIG/MIG焊枪之间角度的增加、焊道熔深大小没有发生变化，认为是由于前导TIG电弧先形成熔池的缘故。 娄建新等人[14]采用MIG电弧作为前导电弧，采用高速摄像观察以及FLUENT模拟软件分析不同TIG-MIG电极之间距离对电弧形成机制以及熔池状态的影响，发现当TIG电极与MIG电极之间距离为10 mm时，焊接过程复合电弧稳定，2个熔池形状呈“8”字形，TIG电弧对MIG电弧产生良好的预热作用，降低焊接结构拘束度，减缓焊后冷却速度，利于焊缝组织细化，焊接性能优于TIG电极与MIG电极之间距离8 mm与12 mm。 Hisashi Mishima等人[15]采用TIG电弧作为前导电弧，通过数值模拟研究(TIG0°/MIG30°，TIG0°/MIG45°，TIG0°/MIG60°，TIG30°/MIG30°)四种角度对电弧以及热源特性的影响，发现随着焊枪之间的角度增大，TIG电极与MIG电极之间的高温等离子体扩张，提高了电导率，增大了电极之间的电流通量大小，影响了电弧形状；当TIG电极与MIG电极之间角度为TIG0°/MIG45°时，电弧挺度与电弧之间排斥力达到最佳平衡，热通量(heat flux)最为集中。笔者认为，通过调整TIG焊枪与MIG焊枪之间角度能够优化等离子与热源特性。 Shuhei Kanemaru[9]等人采用TIG电弧作为前导电弧，设定TIG电极与MIG电极之间距离4 mm，TIG电极与试样垂直，改变MIG电极前倾角(TIG0°/MIG+35°)(TIG0°/MIG+45°)(TIG0°/MIG+55°)发现随着MIG前倾角的增加，熔深变大，当MIG前倾角大于45°时，可以有效改善熔池流动，抑制驼峰形成，获得良好的焊缝成形。图2为一体化TIG-MIG焊枪(电极距离4 mm，焊枪角度TIG0°/MIG+45°)，采用该优化焊枪进行焊接，不仅焊道成型美观，而且对坡口角度裕度范围也比较大，适合厚板多层多道焊接。 图2 TIG-MIG复合焊枪外形[9] 综上所述，前导电弧影响TIG-MIG电极之间距离的选择；MIG前倾角影响焊缝成形以及熔池流动，通过调整TIG-MIG电极之间距离以及TIG-MIG焊枪之间角度可以优化热源特性，改善焊接质量。 Shuhei Kanemaru等人[8]采用普通TIG焊与TIG-MIG复合焊方法对SUS304母材进行施焊，通过比较发现,TIG-MIG复合焊焊缝金属中氧含量较低，见表1。 冲击韧性最高达到199 J，见表2，与常规TIG焊接焊缝性能相当。但是，TIG-MIG复合焊接时间减少到常规TIG焊接的17%～44%，极大提高了效率。 表1 焊缝中氧元素含量 位置氧含量(1×10-6)焊缝25母材46焊丝34 表2 冲击吸收能量试验结果[8] J 实际值平均值197，190，199195 M．Ding等人[16]采用TIG-MIG复合焊接铁素体不锈钢430与镁合金AZ31B异种材料，焊接完成后获得良好的异种材料焊接接头，克服了单独MIG焊镁合金工艺窗口较窄、焊接过程飞溅大、易于出现气孔等问题。 颜晨光[17]采用TIG-MIG复合焊接中厚度铝合金壳体纵缝，焊接质量稳定，生产效率得到提高，解决MIG焊焊接纵缝易产生气孔、TIG焊熔深浅问题，是一种经济高效焊接方法。 平奇文等人[18]采用TIG-MIG复合焊接方法在母材AZ31B镁合金表面进行熔敷，通过TIG分流，从而减少焊接热输入，获得高效堆焊。 王军等人[19]采用TIG-MIG复合焊接方法熔化CuSi3焊丝并堆敷在30CrMnSi母材表面上，通过接头组织分析看出基体母材与堆焊金属之间界限明显，母材熔化量很少，未与铜合金大量混合，除靠近界面处存在零星分布的黑色Fe-Si化合物外，未出现泛铁现象，得出TIG-MIG焊接方法可以提高焊丝熔敷速率的同时明显减少对母材的热输入量。 娄小飞等人[20]在Q235低碳钢板表面采用TIG-MIG复合堆焊，通过焊接参数调整实现了高速焊接(2.5 m/min),焊接过程稳定，焊缝成形美观，无咬边、驼峰等缺陷出现。 综上所述，目前TIG-MIG复合焊实例较少，但从目前研究可以看出，TIG-MIG复合焊能够提高焊缝金属冲击韧性和焊接效率，在异种材料焊接、表面熔敷以及焊接性较差材料焊接具有应用优势。 从前导电弧、TIG-MIG平衡电流、TIG-MIG电极之间距离以及TIG-MIG焊枪之间角度对TIG-MIG焊接性能的影响以及TIG-MIG焊接实例出发，介绍了目前国内外学者对如何获得稳定、高效率以及高质量TIG-MIG复合焊接阶段性研究进展。虽然现阶段已经进行了大量的研究工作，但是仍有以下问题需要解决。 (1)机理性研究的深入。影响TIG-MIG复合焊接方法参数比较多，先导电弧、TIG-MIG电流平衡、TIG-MIG电极之间距离、TIG与MIG焊枪之间角度，这些参数对复合焊接过程以及焊接接头质量作用是相互影响。目前还没有发现综合考虑这些参数进行完全、系统性的研究，导致关于TIG-MIG复合焊接机理性研究较少，而且不够深入。如何能够进一步从机理理解TIG-MIG复合焊接过程需要进一步研究。 (2)焊接位置的扩展。目前对TIG-MIG复合焊限定在平焊位置，其它位置研究较少，因此限制了该方法在实际工程当中的应用，所以需要科研人员将更多的精力放在TIG-MIG复合全位置焊接研究上。 参考文献： [1] 杨春利，林三宝. 电弧焊基础[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2003. [2] Shuhei Kanemaru，Tomoaki Sasaki，Toyoyuki Sato，et al. Study for the mechanism of TIG-MIG hybrid welding process[J].Weld World，2015，59(2):261-268. [3] Chen J，Wu C S，Chen M A. Improvement of welding heat source for TIG-MIG hybrid welding process[J].Journal of Manufacturing Processes，2014，16，485-493 [4] 陈 姬，宗 然，武传松，等.TIG-MIG复合焊电弧间相互作用对焊接过程影响[J].机械工程学报，2016，52(6)：59-64. [5] 张 旺. CO2激光+脉冲GMAW复合焊接等离子体行为及熔滴过渡控制研究[D].上海:上海交通大学博士学位论文，2014. [6] 顾小燕.YAG激光+脉冲双MIG电弧复合焊接热源耦合机理及工艺研究[D].天津：天津大学博士学位论文，2013. [7] 小倉慧，二瓶正恭. 2電極スイッチング·ア-ク溶接法に関する研究(第5報)- スイッチングTIG-MIG溶接法におけるア-ク現象[J]. 溶接学会誌，1983，52(3):282-288. [8] Shuhei Kanemaru，Tomoaki Sasaki，Toyoyuki Sato，et al. Study for TIG-MIG hybrid welding process[J]. Weld World，2014，58(1):11-18. [9] Shuhei Kanemaru，Tomoaki Sasaki，Toyoyuki Sato，et al. Study for TIG-MIG hybrid welding process-experimental consideration for optimum torch configuration[C]. Quarterly Journal of the Japan Welding Society，2013，31(4):18-21. [10] 杨 涛，张生虎，高洪明，等.TIG-MIG复合焊电弧特性机理分析[J].焊接学报，2012，33(7):25-60. [11] 金丸周平，佐佐木智章，佐藤豊幸，など.TIG-MIG複合溶接の基礎的検討[C]. 溶接学会論文集，2012，30(1):29-34. [12] 三島久，田代真一，田中学，など. TIG-MIG複合溶接の3次元モデル数値解析(第2報)[C]. 溶接学会全国大会講演概要，奈良,日本，2012. [13] 田代真一，三島久，田中学，など. TIG-MIG複合溶接におけるア-クプラズマ中の電流経路に及ぼす金属蒸気の影響[C]. 溶接学会全国大会講演概要，奈良,日本，2012. [14] 娄建新，宫 雪，张楠楠，等.TIG-MIG复合焊电弧分析及计算模拟[J].焊接技术，2015，44，(3):13-17. [15] Hisashi Mishima，Shinichi Tashiro，Shuhei Kanemaru，et al. Numerical simulation on plasma property in TIG-MIG hybrid welding process[C]. Quarterly Journal of the Japan Welding Society，Tokyo，Japan, 2013，31(4):22-25. [16] Ding M，Liu S S，Zheng Y，et al. TIG-MIG hybrid welding of ferritic stainless steels and magnesium alloys with Cu interlayer of different thickness[J]. Materials and Design，2015，88: 375-383. [17] 颜晨光. 铝壳体纵缝MIG+TIG同步焊工艺研究与应用[J].装备制造技术，2015，43(5):20-22. [18] 平奇文，马国红，胡小武，等.AZ31B镁合金TIG-MIG双弧焊接组织分析[J].热加工工艺，2014，44(3)：196-198. [19] 王 军，冯吉才，何 鹏，等. TIG-MIG电弧间工艺[J].焊接学报，2009，30(2)：145-148. [20] 娄小飞，陈茂爱，武传松，等. 高速TIG-MIG复合焊焊缝驼峰及咬边消除机理[J].焊接学报，2014，35(8):87-90. 收稿日期：2016-06-21 中图分类号：TG442 作者简介：孙茂龄，1958年出生，大学专科，助理研究员，主要从事特种化工设备材料焊接及热处理研究，已发表论文4篇。 |
|
|
